2.3　退役動力電池梯次利用面臨的主要問題及技術(shù)難點

2.3.1　退役動力電池梯次利用面臨的主要問題

2.3.1.1　退役動力電池回收

在我國2016年發(fā)布的《電動汽車動力電池回收利用技術(shù)政策（2015年版）》中，雖然明確退役動力電池回收利用的責(zé)任，但由于該政策并不是強制性管理且缺乏明確的獎懲機制，加上退役動力電池回收再利用經(jīng)濟性不高，目前各級動力電池相關(guān)主體對政策的執(zhí)行并不樂觀。

由于國內(nèi)退役動力電池回收在法律、渠道、成本等諸多方面存在問題，阻礙了回收市場的快速發(fā)展。動力電池生產(chǎn)企業(yè)的動力電池回收業(yè)務(wù)尚處于規(guī)劃與試驗階段，隨著我國電動汽車數(shù)量的不斷增多，退役動力電池的數(shù)量也在持續(xù)增長，這意味著有必要建立合適的退役動力電池處理方案。因此，開展退役動力電池的回收研究對我國實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義。

目前，退役動力電池回收產(chǎn)業(yè)還未形成規(guī)模效應(yīng)，國內(nèi)還未建立成熟的回收體系，一些企業(yè)雖然涉及了退役動力電池回收業(yè)務(wù)，但是回收效率較低，投入超出回收退役動力電池價值，缺乏盈利點。在我國，部分地方政府也通過補貼等方式鼓勵梯次利用的進行，在補貼的驅(qū)動下，退役動力電池梯次利用的成本有望進一步降低，回收退役動力電池的企業(yè)將更有動力對退役動力電池進行梯次利用。

目前，我國退役動力電池的回收渠道主要以回收小作坊為主，專業(yè)回收公司和政府回收中心較少，體系有待重整。地方各政府依照國家相關(guān)法律設(shè)置的國家回收中心，有利于科學(xué)規(guī)范地管理退役動力電池回收市場、完善回收網(wǎng)絡(luò)、合理布局回收網(wǎng)絡(luò)和回收市場，提高正規(guī)渠道的回收量。目前我國還沒有退役動力電池的政府回收中心，但未來可以根據(jù)我國現(xiàn)實情況，有選擇地進行發(fā)展。

2.3.1.2　動力電池組拆解

動力電池梯次利用的解決方案有兩種：單體拆分和保持原動力電池箱。從重量、容量、兼容性、拆分、管理成本等角度對比分析，兩種方案各有利弊。動力電池廠應(yīng)當(dāng)優(yōu)先通過運用大數(shù)據(jù)及可追溯體系選擇動力電池模塊應(yīng)用，因為PACK自動化主流技術(shù)已逐漸轉(zhuǎn)變到激光焊，如果拆解退役動力電池后打磨再焊接，則單體方案可行性差。

在動力電池退役時，是將整個PACK從電動汽車上拆解下來的。不同車型的動力電池有不同的PACK設(shè)計，其內(nèi)外部結(jié)構(gòu)設(shè)計、模組連接方式和工藝技術(shù)各不相同，意味著不可能用一套拆解流水線適合所有的退役動力電池PACK和內(nèi)部模組。那么，在退役動力電池的拆解方面，就需要進行柔性化的配置，將拆解流水線進行分段細化，針對不同的動力電池PACK，在制定拆解操作流程時，要盡可能復(fù)用現(xiàn)有流水線的工段和工序，以提高作業(yè)效率，降低重復(fù)投資。如果進行自動化拆解，對生產(chǎn)線的柔性配置要求比較高，從而導(dǎo)致處置成本過高。目前國內(nèi)只有極少數(shù)企業(yè)自主研發(fā)了機械自動化拆解設(shè)備，尚不足以支撐起退役動力電池梯次利用的市場。

在進行退役動力電池的拆解作業(yè)時，不可能完全實現(xiàn)自動化，必然存在大量的人工作業(yè)，而退役動力電池本身是高能量載體，如果操作不當(dāng)，可能會發(fā)生短路、漏液等各種安全問題，進而可能造成起火或爆炸，導(dǎo)致人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，采取什么樣的措施和方法，確保退役動力電池拆解過程中的安全作業(yè)，是退役動力電池梯次利用的一個重點。

從電動汽車上拆解下來的退役動力電池復(fù)雜程度很高，包括不同類型動力電池制造和設(shè)計工藝的復(fù)雜性、串并聯(lián)成組形式、服役和使用時間、應(yīng)用車型和使用工況的多樣性。動力電池有方形、圓柱形等不同類型，其疊片、繞組形式也不同，由于集成形式不同，成組后動力電池組也各異，這些復(fù)雜性導(dǎo)致退役動力電池回收再利用或者拆解時極為不便。

在退役動力電池的拆解環(huán)節(jié)，由于動力電池內(nèi)部連接方式復(fù)雜且各不相同，目前自動化水平較低，還存在容易拆壞、引發(fā)安全事故以及拆解效率低下三大問題。因此，在目前自動化水平不高的情況下，多數(shù)工序是人工完成的，工人的技能水平可能會影響著退役動力電池回收過程中的成品率。同時在手工拆解過程中，動力電池短路、漏液可能導(dǎo)致起火或者爆炸，對人身和財產(chǎn)有潛在安全隱患。

由于不同動力電池企業(yè)生產(chǎn)的動力電池從使用的材質(zhì)、外形、組合方式和冷卻方式不盡相同，因此拆解過程也需根據(jù)實際情況，采用不同的拆解方式。拆解過程均應(yīng)采用專用設(shè)備和工具，按照科學(xué)合理的拆解流程，在保證拆解過程安全、環(huán)保、高效的前提下進行拆解，避免拆解過程中損傷動力電池模塊或動力電池單體。

動力電池單體是動力電池的基本構(gòu)成單位，動力電池單體通過串并聯(lián)形成動力電池模組，再通過配備動力電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等裝置，最終構(gòu)成動力電池組（Pack）。退役動力電池的拆解則是反向進行的。但由于拆解和重新配組的成本過高，已在推進這一項目的公司都不再拆解到動力電池單體這一層級，而是選擇直接處理整個退役動力電池組。

不要試圖通過拆解退役動力電池組來進行動力電池單體的分容分組，因為動力電池組拆解工作量大，會引入新的安全風(fēng)險，應(yīng)當(dāng)以動力電池組的形式進行梯次利用。

①退役動力電池組拆解工作量大、成本高，與之相比，換掉其中的短板動力電池后繼續(xù)以動力電池組方式進行梯次利用是更為經(jīng)濟的方案。

②不同動力電池組的使用環(huán)境和控制策略差異極大，拆解后重新配組的難度非常大。

③退役動力電池組從車上退下來不拆，在車上它的安全性是得到驗證的，拆解以后對動力電池的安全性也帶來了新的問題。

④拆解過程會導(dǎo)致大量物理廢棄，而重組又會引發(fā)新的物料成本。

2.3.1.3　動力電池篩選

退役動力電池的測試與評估在電動汽車退役動力電池梯次利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中至關(guān)重要，尤其是如何測試與評估退役動力電池組的性能。目前國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究剛剛起步，尚有很多問題需要解決，具體來說，包括以下幾方面。

（1）動力電池系統(tǒng)性能測試與評價　現(xiàn)有的動力電池方面的相關(guān)測試方法或各類國家標準、行業(yè)標準更多針對動力電池單體或小模塊，僅考核動力電池本身或多動力電池模塊性能，尚沒有對整個動力電池系統(tǒng)的測試方法和評估標準。

（2）動力電池系統(tǒng)安全性能測試與評價　動力電池系統(tǒng)的安全性能對純電動汽車產(chǎn)業(yè)化至關(guān)重要，如何考核與評價其安全性能，是目前產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點，也是亟待解決的問題。針對拆解后的退役動力電池模組，僅通過目視檢查是無法發(fā)現(xiàn)一些安全缺陷的，如輕微脹氣、漏液、內(nèi)短路、外殼破損、絕緣失效、極柱腐蝕等。如果這些安全缺陷不被檢查出來，相關(guān)模組用到新產(chǎn)品中，那么會導(dǎo)致新產(chǎn)品存在較為嚴重的安全隱患。采取簡單、快速而有效的檢查措施為拆解后的退役動力電池模組進行安全“體檢”，這是非常重要的測試工序。

（3）動力電池系統(tǒng)加速壽命測試方法　循環(huán)壽命是關(guān)系整車壽命與價格的重要指示，目前的循環(huán)測試結(jié)果距離整車實際應(yīng)用工況尚有一定的差距。動力電池通常有10～15年的使用壽命，因此通過對不同電化學(xué)體系，在不同使用環(huán)境、不同使用條件下的失效機理分析，結(jié)合相關(guān)電化學(xué)模型確定加速壽命試驗方法，成為純電動汽車動力電池研究開發(fā)領(lǐng)域非?；钴S的分支。

對達到使用壽命需要退役的動力電池，可通過退役動力電池回收中心進行統(tǒng)一收集，建立完善的退役動力電池收集網(wǎng)絡(luò)。對收集到的退役動力電池，通過對退役動力電池特性的診斷，分為三類進行處理。

（1）進入維修體系　對退役動力電池進行充放電試驗和相關(guān)信息的讀取，如退役動力電池整體狀況良好，只是個別動力電池單體到達使用壽命，則對這些動力電池單體更換后重新組裝動力電池組，可以作為置換動力電池重新應(yīng)用于電動汽車上。

（2）梯次利用　通過檢測，如果回收的退役動力電池還剩余規(guī)定容量，則可以進行梯次利用，應(yīng)用于分布式儲能系統(tǒng)，用來平抑、穩(wěn)定風(fēng)能、太陽能等間歇式可再生能量發(fā)電的輸出功率；或者應(yīng)用于微電網(wǎng)，實施削峰填谷，減輕用電負荷供需矛盾。

（3）拆解　對于完全喪失再利用價值的退役動力電池，則對退役動力電池進行拆解和化學(xué)處理，完全回收鎳、鈷等金屬，用于生產(chǎn)新的動力電池，實現(xiàn)循環(huán)利用。

退役動力電池的再利用必須經(jīng)過品質(zhì)檢測，包括安全性評估、循環(huán)壽命測試等，將退役動力電池分選分級，再重組后才可以被再利用。由于動力電池的設(shè)計壽命、產(chǎn)品品質(zhì)和使用情況的不同，動力電池退役時的狀態(tài)也參差不齊。檢測和篩選環(huán)節(jié)是梯次利用的關(guān)鍵，由于回收到的退役動力電池的不一致性，進行梯次利用時需要對其剩余使用價值和健康狀態(tài)進行檢測，對于使用情況類似、可以成組的退役動力電池進行篩選。此外，在動力電池的正常使用期間，BMS檢測系統(tǒng)能夠記錄較為完整的充放電運行數(shù)據(jù)，有助于在其退役時準確評估其剩余容量，降低退役動力電池檢測成本。檢測篩選環(huán)節(jié)需要綜合應(yīng)用軟件技術(shù)、測控技術(shù)、制程工藝等，涉及光、機、電等跨行業(yè)多學(xué)科技術(shù)，技術(shù)門檻非常高，目前國內(nèi)正處于起步階段。

針對退役動力電池的梯次利用，必須把有問題的退役動力電池篩選出來，或做安全分級處理，才有可能繼續(xù)流通到后面的市場中去。無論是整個退役動力電池組原封不動地使用，還是拆解出模塊再用，安全篩選都必不可少。怎樣用簡單的方法鑒別出存在安全隱患的退役動力電池，甚至能把鑒別結(jié)果呈現(xiàn)為風(fēng)險性高、中、低，是當(dāng)前行業(yè)最主要的瓶頸。這個過程既要考慮篩選的準確性，還要考慮成本。根據(jù)動力電池的外特性，篩選出可使用的動力電池單體分為兩種情況考慮。

①動力電池在服役期間，其相關(guān)運行數(shù)據(jù)有完整記錄，那么當(dāng)梯次利用的廠家拿到這些數(shù)據(jù)之后，結(jié)合動力電池的出廠數(shù)據(jù)，可以建立動力電池模組的簡單壽命模型，能夠大致估算出在特定運行條件下動力電池模組的剩余壽命（根據(jù)所設(shè)定的終止條件）。

對于有歷史數(shù)據(jù)的退役動力電池，動力電池從出廠到回收所經(jīng)歷的使用過程、充放電容量總體變化情況、電壓等都記錄在案。借助對電芯外部特性與內(nèi)在結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的研究成果，不用拿到退役的動力電池就可以先進行初步的一致性評價、剩余價值評價和安全性評價。

②動力電池的使用情況并無數(shù)據(jù)記錄，僅有出廠時的原始數(shù)據(jù)（如標稱容量、電壓、額定循環(huán)壽命等），使用過程未知，當(dāng)前狀態(tài)未知。當(dāng)梯次利用的廠家拿到退役動力電池后，要判斷其健康狀態(tài)和剩余壽命就必須對每個模組進行測試，先明確其當(dāng)前的健康狀態(tài)，然后要根據(jù)測試數(shù)據(jù)和出廠時的原始數(shù)據(jù)，建立一個對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)不同的材料體系，大致估算其潛藏的剩余價值。

針對在服役期間沒有完整的數(shù)據(jù)記錄的退役動力電池，梯次利用的成本會提高很多，測試設(shè)備、測試費用、測試時間、分析建?；谟邢薜臄?shù)據(jù)等，都會增加不少成本，導(dǎo)致梯次利用的經(jīng)濟價值降低。再利用過程進行動力電池壽命預(yù)測時，準確度可能會下降，動力電池的一致性無法保障，這無疑又會增加梯次利用產(chǎn)品的品質(zhì)風(fēng)險。如何做到快速無損的檢測，是該種情況下梯次利用的關(guān)鍵所在。由于不同動力電池的內(nèi)阻特性、電化學(xué)特性、熱特性不同，退役動力電池的不一致性和可靠性可能也無法保證，如果一些存在問題的退役動力電池在篩選過程中沒有被檢驗出來，而再次被使用，會增加其他整個動力電池系統(tǒng)的安全風(fēng)險。

退役動力電池梯次利用最為關(guān)鍵的問題就是檢測環(huán)節(jié)，只有正確判斷退役動力電池單體或動力電池模組的工作狀態(tài)，才能進行相匹配的梯次利用。退役動力電池梯次利用必須經(jīng)過品質(zhì)檢測，包括安全性評估、循環(huán)壽命測試等，將退役動力電池分選分級，再重組后才可以被再利用。為此，應(yīng)建立了一套以梯次利用信息系統(tǒng)為核心的綜合評估體系，對退役動力電池進行檢測。該系統(tǒng)綜合了數(shù)據(jù)庫、模型與評估方法、物料管理三個重要環(huán)節(jié)，可對退役動力電池的殘值、信息追溯、梯次利用方案等進行全方位支持。

群菱能源研發(fā)的退役車用動力電池余能檢測試驗平臺可實現(xiàn)100路電動汽車退役動力電池余能檢測，可實現(xiàn)自動導(dǎo)出測試報告，對退役動力電池的電性能指標實現(xiàn)自動化測試，滿足車用動力電池回收利用一鍵測試的要求，為電動汽車退役動力電池余能檢測與回收利用提供可靠的依據(jù)。退役車用動力電池余能檢測試驗平臺的三層拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。

①最上層為能量調(diào)度層，由4臺250kW交流能量管理饋能裝置及光伏發(fā)電系統(tǒng)接入，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)最大程度利用新能源發(fā)電，降低對負荷變壓器用電需求。

②中間層為檢測層，由50臺30kW和50臺50kW動力電池電性能檢測儀、100kW·h動力電池儲能系統(tǒng)組成，滿足混合動力汽車、純電動乘用車、大巴車等不同種類動力電池余能檢測需求，100kW·h儲能系統(tǒng)可以平滑多臺檢測儀同時工作時的瞬時功率波動。

③最下層為動力電池接入層，實現(xiàn)被測動力電池及BMS系統(tǒng)電氣和通信即插即用。

在《車用動力電池回收利用余能檢測》中，規(guī)定退役動力電池的作業(yè)程序應(yīng)按照嚴格檢測流程和高安全性的要求來進行。檢測流程是進行動力電池余能檢測的最重要過程，包括外觀檢查、極性檢測、電壓判別、充放電電流判別、余能測試等步驟。車用動力電池的余能檢測應(yīng)按圖2-5所示的作業(yè)流程進行。

圖2-5中：Ya為動力電池滿足企業(yè)技術(shù)規(guī)定條件中的外觀條件；Na為動力電池不滿足企業(yè)技術(shù)規(guī)定條件中的外觀條件；Yb為動力電池滿足企業(yè)技術(shù)規(guī)定條件中的電壓限值條件；Nb為動力電池不滿足企業(yè)技術(shù)規(guī)定條件中的電壓限值條件。

退役車用動力電池余能檢測試驗平臺依據(jù)國家標準GB/T 34015—2017《車用動力電池回收利用余能檢測》，主要完成以下功能。

①動力電池單體、模塊的外觀檢查、信息采集、電壓判別、首次充放電電流確定、I₅確定、材料判別。

②動力電池單體室溫下的放電容量檢測，動力電池模塊的室溫放電容量檢測。

③退役動力電池梯次利用儲能項目采用削峰填谷的運行策略，谷電價階段廠區(qū)低壓側(cè)電網(wǎng)向儲能系統(tǒng)充電，峰電價階段儲能系統(tǒng)向用戶負載供電，以合同能源管理的商務(wù)模式與客戶分享峰谷價差帶來的收益。

（1）EPCI系列動力電池電性能檢測儀　EPCI系列動力電池電性能檢測儀的輸出特性具有高精度及高動態(tài)響應(yīng)特性，電壓輸入范圍大，產(chǎn)品輸出具備管理多種動力電池的充放電的特性功能，內(nèi)部集成多種動力電池組通信協(xié)議，專用動力電池組連接端口，可適配市面上主要廠家動力電池組接口。采用全范圍、高精度測量模塊，可精確測量各類動力電池電壓、電流、容量值，電壓電流測量精度大于0.5級，溫度精度±0.5℃，時間、尺寸、質(zhì)量測量精度高達±0.1%。

（2）ACST系列交流能量管理饋能裝置　ACST系列交流能量管理饋能裝置是動力電池能量測量專用四象限運行的能量管理專用儀器設(shè)備，ACST系列交流能量管理饋能裝置具有完備的能量管理功能，集成計算機控制技術(shù)、電源變換技術(shù)、能量管理控制技術(shù)及多機并聯(lián)拓展的能量自動分配等動力電池檢測專用測量技術(shù)；系統(tǒng)采用高效隔離方案，安全可靠，電磁噪聲低，效率高；基于直流母線智能功率與能量管理，多機并聯(lián)運行模式下自動實現(xiàn)功率能量均衡管理；產(chǎn)品控制電壓高精度及高動態(tài)響應(yīng)特性，并具有雙向電網(wǎng)能量管理功能；采用全數(shù)字高性能DSP+FPGA及全新一代功率器件，控制精度高、響應(yīng)速度快、效率高、輸出調(diào)節(jié)范圍廣；配備專用計算機管理軟件，可對數(shù)據(jù)自動進行存儲控制，可進行計算機編程，實現(xiàn)自動運行管理。

（3）DCLT系列鋰動力電池均衡充放電設(shè)備

①適用動力電池：鐵鋰、三元鋰、錳酸鋰、鈦酸鋰等動力電池。

②寬電壓范圍：5V寬電壓范圍，適用于所有電壓等級的鋰動力電池測試。

③工作方式：充電、放電、均衡，充分激活鋰動力電池性能。

④智能均衡：可指定任意單個或多個通道電芯檢測及均勻充電，不發(fā)生過充和過放情況。

⑤參數(shù)采集：電壓、電流、溫度等。

⑥數(shù)據(jù)分析：可在設(shè)備上查詢數(shù)據(jù)，支持柱狀圖、曲線圖等不同方式查看。

⑦顯示：10in（1in=2.54cm）超大觸摸屏顯示，可同時顯示所有工作單元的工作參數(shù)狀態(tài)。

⑧SOC顯示：可定制SOC信息分析顯示。

⑨校準：帶有電壓和電流校準修正功能，保證測量精度。

⑩多重安全保護：具備過壓、欠壓、過流、過溫等保護，對放電過程中的各種異常狀況提供充分保護措施。